מערכת fNIRS מבוססת sCMOS: אימות באמצעות ביצועים אופטי ותגובה קורטיקלית

לראות פעילות מוחית באור עדין

דמיינו צפייה במוח בעבודה ללא סורקים רועשים או צינורות צרים, בעזרת אור אדום רך ומצלמה קטנה בלבד. המחקר הזה מציג שיטה חדשה לעשות בדיוק זאת. החוקרים בחנו מערכת דימות מוח קומפקטית ופוטנציאלית זולה יותר, שעשויה בעתיד לסייע לרופאים ולמדענים לחקור חשיבה, מצב רוח ומחלות נפש בסביבות טבעיות ושגרתיות יותר.

מדוע משתמשים באור רך לצפייה במוח

ספקטרוסקופיה פונקציונלית בקרוב לאינפרה-אדום, או fNIRS, מקרינה אור קרוב לאינפרה-אדום אל תוך הראש ומודדת את האור החלש החוזר החוצה. מאחר שדם עשיר בחמצן ודם עני בחמצן סופגים את האור בצורה שונה, ניתן לעקוב לאורך זמן אחרי שינויים זעירים בזרימת הדם הקשורים לפעילות מוחית. fNIRS שקט, בטוח, וניתן להשתמש בו בזמן ישיבה, דיבור או תנועה, מה שהופך אותו לאטרקטיבי למחקר ילדים ואנשים עם הפרעות פסיכיאטריות או נוירולוגיות. עם זאת, מערכות fNIRS נוכחיות מסתמכות לעיתים קרובות על גלאים נפרדים רבים, מה שהופך אותן לקופתיות, יקרות וקשות להרחבה לכיסוי כל הראש.

חיישן חדש בסגנון מצלמה לאור מוחי

מערכות מסורתיות משתמשות בדרך כלל בפקודות פוטואלקטריות מסוג avalanche photodiodes, גלאים מיוחדים לרמת רגישות גבוהה אך דורשים יחידות נפרדות רבות ואלקטרוניקה תומכת. החוקרים בנו במקום זאת מערכת המבוססת על חיישן מצלמת sCMOS מדעי. במקום להחזיק יחידות גלאי נפרדות רבות, הם מנווטים את האור החוזר דרך סיבים אופטיים לנקודות שונות על שבב חיישן דו־ממדי יחיד. ההתקנה כוללת דיודות לייזר בקרוב לאינפרה-אדום בשתי אורכי גל, רשת של מקורות וגלאים על מתקן לראש, מסננים אופטיים להפרדת שתי הצבעים, ומחשב בקרה. על ידי הדלקה וכיבוי של מקורות אור בתבנית מתוזמנת, המצלמה יכולה לזהות לאיזו נקודה על הראש השתייך כל הבזק אור.

בדיקת ביצועים ב"רקמה" מלאכותית

כדי לבדוק האם המערכת המבוססת מצלמה מדויקת כמו מכשיר fNIRS סטנדרטי, הצוות בדק אותה תחילה במודלים מעבדתיים המתוכננים בקפידה המדמים את תנועת האור דרך הראש. מודל אחד ערבב נוזל חלבוני ודיו שחורה כדי לחקות פיזור ובליעה בשכבות כמו הקרקפת, הגולגולת והמוח. על ידי הוספה איטית של כמויות זעירות של דיו, הם שינו את חוזק הבליעה של התערובת, בדומה לשינוי בתכולת הדם. המערכת המבוססת מצלמה עקבה אחר שינויים אלה בדיוק רב בטווח רחב, לעיתים באמינות גבוהה יותר מהמערכת הקונבנציונלית, במיוחד כאשר האותות היו חלשים מאד או חזקים מאד. במודל שני הוסיפו דם אמיתי לתערובת המדמה רקמה והורידו ממנו חמצן בהדרגה. שתי המערכות מדדו שינויים בחמצון הדם בהתאמה גבוהה למנתח גזי דם נפרד, מה שמראה שהגישה החדשה יכולה לעקוב אחרי שינויים מציאותיים ברמות החמצון בדם.

צפייה במוחות אמיתיים במהלך משימת חשיבה

החוקרים ביקשו ממשתתפים לבצע משימת שטף מילולי, שבה אנשים נחו בשקט, אחר כך אומרים מילים מתוך קטגוריות נתונות, ואז נחו שוב. משימה זו ידועה כמפעילה אזורים בחלק הקדמי של המוח המעורבים בשפה ובתפקוד ביצועי. באמצעות מפצל סיבים חכם, אותו אור חוזר מהראש נשלח במקביל גם למערכת המבוססת מצלמה וגם למכשיר fNIRS מסחרי. לאחר ניקוי הנתונים והמרת שינויים באור להערכות של דם מחומצן ודמן-מחומצן, שתי המערכות הפיקו דפוסים דומים מאוד לאורך הזמן ברוב הערוצים, עם הסכמה סטטיסטית חזקה. אי־התאמות מזדמנות ניתן היה לשייך לבעיות מעשיות כמו הזזת מיקום סיב קטנה ולא לפגמים בעיצוב החיישן.

מה משמעות הדבר לניטור מוחי בעתיד

במונחים יומיומיים, המחקר מראה שחיישן מצלמה חכם יחיד יכול להחליף גלאים רבים מבלי לאבד דיוק במדידת אותות זרימת דם הקשורים למוח. מערכת fNIRS מבוססת מצלמה השוותה או עלתה על מערכת סטנדרטית במדדי מפתח של רגישות, רעש, יציבות לאורך זמן ותגובה לשינויים מציאותיים בחמצון הדם. מאחר שהיא מקטינה גודל ומורכבות, גישה זו עשויה לקדם הפיכת כלי ניטור מוחיים לניידים יותר, זולים יותר וקלים יותר להתאמה לאנשים עם סוגי שיער וטוני עור שונים. בעוד שדרוש עוד מהנדסות להגדיל מהירות ולהקטין את החומרה, עבודה זו מציעה דרך ברורה לקראת דימות מוח מבוסס מצלמה נגיש יותר במחקר ובטיפול קליני.

ציטוט: Zhou, J., Yan, B., Pu, Y. et al. sCMOS-based fNIRS system: validation via optical performance and cortical response. Transl Psychiatry 16, 260 (2026). https://doi.org/10.1038/s41398-026-03992-w

מילות מפתח: ספקטרוסקופיה פונקציונלית בקרוב לאינפרה-אדום, דימות מוח, חיישן sCMOS, חמצון דם מוחי, דימות נוירו-פסיכיאטרי